(57)【要約】【課題】  黒鉛の析出や快削元素の添加に依ることなく被削性を改善し、機械部品，自動車用部品等の製品形状に切削加工される高炭素鋼板を提供する【解決手段】  Ｃ：０.６〜１.５質量％，Ｓｉ：１.０質量％以下，Ｍｎ：０.１〜２.０質量％，Ｓ：０.０２質量％以下，Ｐ：０.０３質量％以下，Ａｌ：０.００５〜０.２０質量％を含む高炭素鋼板であり、面積率：４０〜８０％，ラメラ間隔：０.４μｍ以上でパーライトとフェライト＋球状又は棒状セメンタイトとの混合組織になっている。必要に応じ、Ｎｉ：２.５質量％以下，Ｃｒ：２.０質量％以下，Ｍｏ：１.０質量％以下の一種又は二種以上及び／又はＴｉ：０.０７質量％以下，Ｎｂ：０.０７質量％以下，Ｖ：０.４質量％以下，Ｂ：０.０７質量％以下の一種又は二種以上を含ませても良い。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０.６〜１.５質量％，Ｓｉ：１.０質量％以下，Ｍｎ：０.１〜２.０質量％，Ｓ：０.０２質量％以下，Ｐ：０.０３質量％以下，Ａｌ：０.００５〜０.２０質量％，Ｆｅ：実質的に残部の組成をもち、パーライト面積率：４０〜８０％，パーライトラメラ間隔：０.４μｍ以上のパーライトと分散析出したフェライト＋球状セメンタイト又はフェライト＋棒状セメンタイトが分散析出した混合組織になっていることを特徴とする被削性に優れた高炭素鋼板。
【請求項２】
更にＮｉ：２.５質量％以下，Ｃｒ：２.０質量％以下，Ｍｏ：１.０質量％以下の一種又は二種以上を含む請求項１記載の高炭素鋼板。
【請求項３】
更にＴｉ：０.０７質量％以下，Ｎｂ：０.０７質量％以下，Ｖ：０.４質量％以下，Ｂ：０.０７質量％以下の一種又は二種以上を含む請求項１又は２記載の高炭素鋼板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定形状への切削加工が予定されている機械部品，自動車用部品等の素材として好適な被削性に優れた高炭素鋼板に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械部品，自動車用部品等の用途では高炭素鋼板が使用されているが、切削加工で製品形状に形成することが多いので被削性に優れていることが要求される。高炭素鋼の被削性改善には、黒鉛の析出やＰｂ，Ｃａ，Ｔｅ，Ｂｉ等の快削元素の添加が従来から採用されている。
たとえば、Ｃ：０.３０〜０.６０質量％の機械構造用炭素鋼又は機械構造用合金鋼をＡc1〜Ａc3の温度域に加熱した後、冷却速度：３℃／秒以下で空冷することにより良好な被削性が得られることが知られている（特許文献１）。被削性向上に有効な金属組織としてフェライト＋パーライト組織が紹介されているが、フェライト＋パーライト組織の詳細は不明である。
【特許文献１】特開2003-306719号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
フェライト＋パーライト組織の如何が被削性に及ぼす影響が明らかになれば、被削性を一層向上させることができるばかりでなく、環境に悪影響を与えがちな快削元素の添加を省略でき、また黒鉛析出に必要な熱処理も省略できる。そこで、本発明者等は、フェライト＋パーライト組織と被削性との関係を種々調査・検討した。その結果、フェライト＋球状セメンタイト又はフェライト＋棒状セメンタイトの混合組織に分散析出しているパーライトの分散形態が被削性改善に大きな影響を及ぼしていることを解明した。
本発明は、かかる解明をベースに完成されたものであり、混合組織に分散析出しているパーライトの面積率，ラメラ間隔を規制することにより、黒鉛の析出や快削元素の添加に依ることなく被削性に優れた高炭素鋼板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の高炭素鋼板は、Ｃ：０.６〜１.５質量％，Ｓｉ：１.０質量％以下，Ｍｎ：０.１〜２.０質量％，Ｓ：０.０２質量％以下，Ｐ：０.０３質量％以下，Ａｌ：０.００５〜０.２０質量％，Ｆｅ：実質的に残部の組成をもつ。必要に応じ、Ｎｉ：２.５質量％以下，Ｃｒ：２.０質量％以下，Ｍｏ：１.０質量％以下の一種又は二種以上及び／又はＴｉ：０.０７質量％以下，Ｎｂ：０.０７質量％以下，Ｖ：０.４質量％以下，Ｂ：０.０７質量％以下の一種又は二種以上を含ませても良い。
該高炭素鋼板の金属組織は、フェライト＋球状セメンタイト又はフェライト＋棒状セメンタイトと面積率：４０〜８０％，ラメラ間隔：０.４μｍ以上のパーライトとが分散した混合組織である。
【発明の効果及び実施の形態】
【０００５】
本発明者等は、高炭素鋼板について焼鈍後の金属組織を種々変化させ、金属組織が被削性に及ぼす影響を調査・検討した。調査・検討の過程で、所定の成分・組成をもつ鋼材を熱延後又は冷延後に焼鈍した状態で、パーライト面積率：４０〜８０％，ラメラ間隔：０.４μｍ以上のパーライトとフェライト＋球状又は棒状セメンタイトとが分散析出した混合組織に調整すると、優れた被削性が発現することを見出した。
【０００６】
当該混合組織が被削性改善に及ぼす理由は、次のように考えられる。
切削時、一次剪断面域に大きな剪断変形が加えられると、パーライトとフェライトの塑性変形能の相違に起因してパーライト／フェライトの界面に応力が集中し亀裂が発生する。更に切削が進み大きな剪断加工を受けると、フェライトに比べて塑性変形能に劣るパーライトで亀裂が伝播する。一次剪断面域で亀裂伝播が連続的又は同時多発的に発生する結果、切り屑が容易に切断され、切削抵抗の低下，工具摩耗の改善に有効に働き被削性が向上する。
【０００７】
高炭素鋼の熱延組織では、被削性改善に有効な面積率：４０〜８０％のパーライトと軟質フェライトの混合組織を得ることは一般に困難とされているが、熱処理条件の適正化により一部のセメンタイトを球状化するとき、球状セメンタイトの析出領域が軟質フェライトと同様な作用を呈するので被削性の改善が可能となる。セメンタイトが棒状に析出する場合でも、周辺にフェライトがあるため同じメカニズムで被削性が改善される。
熱延鋼板をＡ1点以下の温度で焼鈍した場合でも、パーライト面積率：４０〜８０％のフェライト＋パーライト混合組織を得ることは可能であるが、パーライトラメラ間隔が影響して良好な被削性が得られない。この場合、Ａ1点よりも高い温度での加熱保持及び冷却速度の制御を組み合わせることにより、ラメラ間隔を０.４μｍ以上として被削性の改善が図られる。
【０００８】
以下、本発明が対象とする高炭素鋼に含まれる合金成分，含有量，金属組織等を説明する。
〔成分・組成〕
・Ｃ：０.６〜１.５質量％
高炭素鋼板を各種部品に切削加工した後で熱処理して使用される用途では、良好な被削性及び必要強度を得る上で必須の成分である。Ｃ：０.６質量％以上で軟質フェライトの影響が抑えられ、被削性の改善が可能となる。しかし、１.５質量％を超える過剰量のＣ含有では、工具摩耗に及ぼす硬質セメンタイトの悪影響が強くなり、被削性が劣化する。好ましくは、０.６〜１.２質量％の範囲でＣ含有量を選定する。
【０００９】
・Ｓｉ：１.０質量％以下
製鋼段階で脱酸剤として添加される成分であるが、セメンタイトを不安定化し黒鉛化促進作用を呈する。過剰量のＳｉが含まれると黒鉛析出により熱処理性が阻害されるので、上限を１.０質量％（好ましくは、０.４質量％）とした。
・Ｍｎ：０.１〜２.０質量％
良好な焼入れ性を得るために必要な成分であり、鋼中Ｓとの反応で生成したＭｎＳは被削性の向上に寄与する。焼入れ性は０.１質量％以上のＭｎ添加で向上するが、２.０質量％を超える過剰添加は熱処理後の靭性を劣化させやすい。好ましくは、０.３〜１.０質量％の範囲でＭｎ含有量を選定する。
【００１０】
・Ｓ：０.０２質量％以下
ＭｎＳ系介在物となって被削性を向上させる成分であるが、過剰量のＳが含まれると熱処理後の強度，靭性が劣化するので極力低減することが好ましい。本成分系では、Ｓ含有量の上限を０.０２質量％（好ましくは、０.０１０質量％）とすることにより、強度，靭性に及ぼす悪影響を抑えている。
・Ｐ：０.０３質量％以下
被削性を多少改善する作用を呈するものの、熱処理後の靭性を劣化させる成分であることから極力低減することが好ましく、本成分系ではＰ含有量の上限を０.０３質量％（好ましくは、０.０１５質量％）とした。
【００１１】
・Ａｌ：０.００５〜０.２０質量％
製鋼段階で脱酸剤として添加される成分である。脱酸効果は、Ａｌ：０.００５質量％以上でみられ、増量に応じて良好な脱酸効果が得られるが、０.２０質量％を超える過剰添加は鋼材の清浄度を低下させ、強度、靭性劣化の原因にもなる。好ましくは、０.０１０〜０.１００質量％の範囲でＡｌ含有量を選定する。
・Ｎｉ：２.５質量％以下
パーライト変態を遅延させる成分であり、パーライトの成長速度を遅くすることによりパーライトラメラ間隔を大きくする作用を呈する。Ｎｉの添加効果は１.０質量％以上でみられるが、過剰添加は被削性に悪影響を及ぼす。また、Ｓｉと同様に黒鉛化促進元素であり、黒鉛の析出に起因して焼入れ性を劣化する。そのため、Ｎｉを添加する場合、上限を２.５質量％（好ましくは、１.８質量％）とする。
【００１２】
・Ｃｒ：２.０質量％以下
焼入れ性を向上させる成分であり、０.１質量％以上でＣｒ添加の効果がみられる。また、セメンタイトを安定化させ、セメンタイトに固溶してセメンタイトの強度を向上させる作用もある。しかし、過剰添加は、鋼材コストの上昇を招くばかりでなく、セメンタイトの強化作用によって工具摩耗を促進させ被削性を劣化させる。そのため、Ｃｒを添加する場合には、上限を２.０質量％（好ましくは、１.０質量％）とする。
・Ｍｏ：１.０質量％以下
焼入れ性を向上させる成分であり、０.１質量％以上でＭｏ添加の効果がみられる。しかし、過剰添加は、鋼材コストの上昇を招くばかりでなく、硬質化により鋼材の加工性を劣化させる。そのため、Ｍｏを添加する場合、上限を１.０質量％（好ましくは、０.４質量％）とする。
【００１３】
・Ｔｉ：０.０７質量％以下
必要に応じて添加される成分であり、鋼中のＣ，Ｓ，Ｎとの反応で生成する析出物のピンニング作用によってオーステナイト粒を微細化し、熱処理後の靭性を向上させる。析出強化によって鋼材を高強度化する作用もある。このような効果は０.０２質量％以上のＴｉ添加で顕著になるが、過剰添加は焼入れ性の劣化，鋼材コストの上昇を招くので、上限を０.０７質量％（好ましくは、０.０５質量％）とする。
・Ｎｂ：０.０７質量％以下
必要に応じて添加される成分であり、Ｔｉと同様に鋼中のＣと反応し、反応生成物ＮｂＣのピンニング作用によってオーステナイト粒を微細化し、熱処理後の靭性を向上させ、鋼材を高強度化する析出硬化元素である。このような効果は０.０２質量％以上のＮｂ添加で顕著になるが、過剰添加は焼入れ性の劣化，鋼材コストの上昇を招くので、上限を０.０７質量％（好ましくは、０.０５質量％）とする。
【００１４】
・Ｖ：０.４質量％以下
必要に応じて添加される成分であり、ピンニング作用のある炭窒化物として析出し、オーステナイト粒の微細化，ひいては熱処理後の靭性向上に寄与する。Ｖの添加効果は０.１質量％以上で顕著になるが、過剰添加は焼入れ性の劣化，鋼材コストの上昇を招くので、上限を０.４質量％（好ましくは、０.３質量％）とする。
・Ｂ：０.００７質量％以下
必要に応じて添加される成分であり、焼入れ性を向上させる。焼入れ性は、０.０００３質量％以上のＢ添加でみられ、Ｂの増量に伴い焼入れ性が向上するが、０.０００８質量％で焼入れ性向上効果が飽和する。また、過剰添加は熱間加工性に悪影響を及ぼすので、Ｂを添加する場合には上限を０.００７質量％（好ましくは、０.００５質量％）とする。
【００１５】
〔金属組織〕
本発明の高炭素鋼板は、面積率：４０〜８０％，ラメラ間隔：０.４μｍ以上のパーライトとフェライト＋球状セメンタイト又はフェライト＋棒状セメンタイトが分散析出した混合組織をもっている。本件明細書でいう「混合組織」は、(１)パーライト組織（面積率：４０〜８０％，ラメラ間隔：０.４μｍ以上），(２)フェライト内に球状又は棒状セメンタイトが析出した組織の二つが分散した組織である。
【００１６】
・パーライト面積率：４０〜８０％
パーライトは、一次剪断面域でクラック発生を促す応力集中源として機能する。パーライト面積率の増加に伴い展延性の大きな軟質フェライトの影響が抑えられ、切削抵抗が軽減する。切削抵抗の軽減は、切削加工時の発熱量低減を意味し、熱摩耗に起因する工具摩耗を抑え工具寿命を長くする。このような効果は、析出したパーライトの面積率：４０％以上で顕著になる。
逆にパーライトの面積率が４０％を下回ると、切削加工時の発熱で構成刃先の結晶粒成長が促進され、更に切削過程で構成刃先が脱着を繰り返すことで切削抵抗が著しく変動する。切削抵抗の変動は、いわゆるビビリの発生原因であり、切削面の品位を低下させる。また、欠けた刃先片がマイクロチップとなり、工具の掬い面，逃げ面の摩耗を促進させる。その結果、パーライト面積率：４０％未満の鋼板を切削加工する場合、切削速度の低減を余儀なくされ、作業効率の低下，切削コストの上昇を招きやすい。
しかし、パーライト面積率の増加に伴い、工具との摩擦面に硬質セメンタイトの影響が強く現れる。すなわち、切削加工時に工具の掬い面，逃げ面と被削材との間に強い摩擦が発生し、機械的摩耗に起因して工具寿命が短くなる。
以上の理由から、パーライト面積率を４０〜８０％（好ましくは、４５〜７５％）の範囲に調整している。
【００１７】
・パーライトラメラ間隔：０.４μｍ以上
パーライトラメラ間隔が被削性を改善する詳細な理由は不明であるが、０.４μｍ以上のラメラ間隔で被削性が向上することは次のように推察され、後述の実施例でも確認できる。
パーライトの強度はパーライトラメラ間隔に依存し、ラメラ間隔が狭くなるほどパーライトの強度が高くなる。具体的には、ラメラ間隔が０.４μｍ未満になるとパーライトの強度が高くなり過ぎ被削性が劣化する。また、ラメラ間隔が狭い場合、単位体積当りパーライト／フェライトの界面が増大する。そのため、パーライトを切り込む際に、軟質フェライトと硬質セメンタイトとの界面で生じる応力変動及び破砕したセメンタイトのマイクロチップによる工具摩耗が促進され、工具寿命が短くなる。このような欠陥は、ラメラ間隔を０.４μｍ以上（好ましくは、０.５μｍ以上）とすることにより抑制できる。
【００１８】
・焼鈍
Ａ1点以下の焼鈍温度では、セメンタイトが球状化され，軟質でねばいフェライト＋球状又は棒状セメンタイトの混合組織の面積率が高くなったり、熱延で生じた残存パーライトのラメラ間隔が狭く強度が高いため被削性が劣化する。しかし、加熱温度が８００℃を超えると、混合組織の核となる未溶解セメンタイトが減少し、被削性向上に有効な混合組織が得られ難く、焼鈍によって生じるパーライトの面積率が増大するため被削性が劣化する。また、実機コイルでは焼鈍密着が発生し、工業化が困難になる。このようなことから、Ａ1点を超え８００℃以下の温度域に焼鈍温度を設定する。
セメンタイトを十分溶解させる上で均熱時間を５時間以上とする。５時間に満たない均熱ではセメンタイトの溶解が不十分であり、未溶解セメンタイトが増大してパーライト組織の生成を阻害し、ほぼ球状セメンタイトになるため良好な被削性が得られない。しかし、均熱時間を長くするとコストが上昇する。
均熱後、５〜７０℃／時の冷却速度で冷却することが好ましい。５℃／時未満の冷却速度では、セメンタイトが球状化されやすく、パーライトの面積率が減少して被削性が劣化する。逆に７０℃／時を超える冷却速度では、パーライトの面積率が高くなりすぎて被削性が劣化する。
・冷間圧延
冷間圧延時の圧延率は、被削性に実質的な影響を及ぼさないので特段の制約を受けない。しかし、６０％を超える圧延率では、冷延工程の付加が大きくなり、製造性の悪化，製造コストの上昇を招きやすい。
【実施例】
【００１９】
表１の成分・組成をもつ鋼材を溶製し、鋳造後、仕上げ温度：８５０℃，巻取り温度：６００℃で熱間圧延した。熱延板を酸洗した後、研削加工又は冷間圧延して板厚：２.０ｍｍの鋼板を製造した。
【００２０】
2006283175.tif 000002
【００２１】
各鋼板を６８０〜８００℃×１０時間で均熱処理した後、冷却速度：５〜７０℃／時で６５０℃まで冷却し、更に室温まで炉冷する焼鈍によって、パーライト面積率，ラメラ間隔を変化させた供試材を作製した。
焼鈍条件がパーライト面積率，ラメラ間隔に及ぼす影響を表２に示す。
パーライト面積率に関しては、圧延方向及び板厚方向を含む試験片断面を鏡面研磨，エッチングし、光学顕微鏡を用いて倍率５００倍の視野で試験片断面を写真撮影し、断面写真の画像処理によってパーライト面積率を測定した。
ラメラ間隔に関しては、同様に圧延方向及び板厚方向を含む試験片断面を鏡面研磨，エッチングし、電子顕微鏡を覗きながらラメラ間隔が狭い部分を選択し、選択部分２０箇所を倍率２０００倍で写真撮影した。２０枚の中からラメラ間隔が狭いパーライトを１０個特定してラメラ間隔を測定し、測定値を平均化することによりパーライトラメラ間隔を求めた。
何れの鋼種も、パーライトとフェライト＋球状セメンタイト又はフェライト＋棒状セメンタイトの混合組織になっていたが、過剰量のＳｉを含む鋼種Ｌでは黒鉛も析出したため熱処理性に劣っていた。
【００２２】
2006283175.tif 000003
【００２３】
次いで、切削試験で工具寿命を調査し、工具寿命から被削性を評価した。
切削試験では、先端角：１１８度，刃先径：１０ｍｍ，溝長さ：９５ｍｍのJIS B4301汎用ストレートドリルを装着した直立ボール盤型の切削試験機を用い、回転数：６００ｒｐｍ，押込み荷重：２０Ｎで試験片を穴あけ加工した。新品のドリルで試験片表面から板厚方向に穴あけ加工を繰り返し、切削不能になった時点を工具寿命と判定し、そのときまでの貫通孔の個数から被削性を評価した。
【００２４】
表２，３の試験結果にみられるように、パーライト面積率：４０〜８０％，ラメラ間隔：０.４μｍ以上を満足する本発明例では、穴あけ加工を２００回以上繰り返しても工具寿命に至っておらず、被削性に優れていることが判る。
これに対し、パーライト面積率が４０％未満の試験No.１，２では、軟質フェライトの影響が強く現れて切削抵抗が増加し、被削性に劣っていた。逆にパーライト面積率が８０％を超える試験No．１０では、工具との摩擦面に硬質セメンタイトが大きく影響するため被削性に劣っていた。
【００２５】
パーライトの面積率，ラメラ間隔を本発明で規定した範囲に調整しても、試験No.３にみられるようにＣ含有量が不足すると、同様に軟質フェライトの影響が強く現れて切削抵抗が増加するため、被削性に劣っていた。Ｃ含有量に加えパーライト面積率も本発明で規定した範囲を外れると、試験No.１３にみられるように硬質セメンタイトの影響が強く現れ、被削性に劣っていた。
パーライトラメラ間隔が０.４μｍに達しない試験No.４でも、工具寿命が短く被削性に劣っていた。悪い被削性は、パーライトの強度が高すぎ、軟質フェライトと硬質セメンタイトとの界面で生じる応力変動及び破砕したセメンタイトのマイクロチップにより工具摩耗が促進された結果と考えられる。
【００２６】
パーライトの面積率，ラメラ間隔共に本発明で規定した範囲を外れる試験No.９，１７では、軟質フェライトの影響が強く現れると共にパーライトの強度が高すぎるため被削性に劣っていた。
更に過剰量のＣｒを含む試験No.２１では、セメンタイトの強化作用によって工具摩耗が促進された結果、被削性に劣っていた。
以上の対比から明らかなように、成分・組成が特定された系でフェライト＋球状セメンタイト又はフェライト＋棒状セメンタイトとパーライト組織で構成され、パーライトの面積率，ラメラ間隔を調整することにより、被削性に優れた高炭素鋼板が得られることが判る。
【００２７】
2006283175.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００２８】
以上に説明したように、特定された成分系において、面積率：４０〜８０％，ラメラ間隔：０.４μｍ以上に調整したパーライトが分散析出したフェライト＋球状セメンタイト又はフェライト＋棒状セメンタイトの混合組織とすることにより、黒鉛析出や快削性元素の添加に依ることなく優れた被削性を高炭素鋼板に付与できる。そのため、機械部品，自動車用部品等の製品形状に高炭素鋼板を切削加工する場合に加工効率が向上し工具寿命が延長され、切削加工に要するコストが節減される。